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科工力量:天使粒子 是梦幻还是现实
最后更新: 2020-01-21 10:21:56【文/科工力量 柳叶刀】
一项新的研究显示,2017年研究发现的“马约拉纳费米子”——手性马约拉纳费米子模,也被称为“天使粒子”,可能仅仅是虚惊一场。
2020年1月3日,由宾夕法尼亚州立大学常翠祖领导的团队在《科学》期刊发表文章,该团队研究了超过36种类似于2017年成果报告中用于产生“天使粒子”的设备样本,却得到不同的结果,在相似的实验平台中观测的结果并非由于“天使粒子”导致。
“天使粒子”的概念由中科院外籍院士、美国斯坦福大学与清华大学教授张首晟提出。2017年,王康隆、张首晟等多位华人科学家共同完成一项工作首次报道,发现了手性马约拉纳费米子模,也被称为“天使粒子”,引起学术界广泛关注。
在粒子物理领域,马约拉纳费米子是一种非常特殊的粒子,对应的反粒子就是其本身。因为其独特的性质可以用来建造拓扑量子计算机,所以物理学家对马约拉纳费米子有着极大的兴趣。
马约拉纳费米子 正反同体
物理学中,构成物质最小、最基本的单位被称为“基本粒子”。它们是在不改变物理属性前提下最小体积物质。基本粒子又分为两种:费米子和玻色子,分别以美国物理学家费米和印度物理学家玻色的名字命名。基本粒子要比原子、分子小得多,现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。
1928年,物理学家狄拉克预言:宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时,他们会湮灭,同时释放出能量。几年后第一个反物质——电子的反粒子被发现。从此,宇宙中有粒子必有其反粒子被认为是绝对真理。
不过,会不会存在一类没有反粒子的粒子,或者说正反同体的粒子?1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)猜测,在费米子这类粒子中,应该有一些粒子,自己就是自身的反粒子,即我们今天所称的“马约拉纳费米子”。
意大利物理学家埃托雷·马约拉纳
马约拉纳费米子一直有个“最佳嫌疑人”,就是中微子,不过,证明这一点需要进行无中微子的beta双衰变实验,人类暂时还没有能力达到相应的实验精度。因此,一些科学家将目光从粒子物理转向凝聚态物理。
凝聚态物理学研究的是大量粒子组成的凝聚态结构,一般无法直接观测到单个粒子。不过,固体材料(比如金属、非金属、半导体、超导体)内部的自由电子,在合适的磁场、压力、温度等外部条件下,会产生特定的集体活动趋势,可以看作是一个“准粒子”。
“准粒子”实际上是一种复杂系统的一种物理现象,它虽然不是“真”的粒子,但是其行为就像是一个粒子。
若马约拉纳费米子被证实 可助力拓扑量子计算机发展
若马约拉纳费米子的猜想被证实,其在拓扑量子计算机的构建方面,将发挥巨大作用。根据笔者查询的资料,武汉大学的学者于2017年在《中国经济报告》发表一篇题为“正反同体的‘天使粒子’”文章,就较为详细地指出马约拉纳费米子在量子计算中的作用。
量子计算的实现面临一个非常大的挑战:一个量子比特的信息非常难以储存,微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。量子比特难以储存的原因来自量子纠缠特性,被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。 以电子的“自旋”为例,两个相互纠缠的电子对,当其中一个顺时针转时,另一个就逆时针转,量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态。
量子纠缠
如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转,那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不只是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。
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本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑: 柳叶刀 
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